Physik im Kontext - Hamburger Bildungsserver

Förderung der Motivation und der
Selbstständigkeit im naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht
KLASSE 7/8
PHYSIK IM KONTEXT (PIKO):
BAU EINES ELEKTRIFIZIERTEN ZIMMERMODELLS
(ELEKTRIK 1)
Diese Handreichung ist entstanden im Rahmen des Projekts „Physik im Kontext“ (http://www.uni-kiel.de/piko).
Piko-Mitarbeiter:
Thorsten Bell, Ulrike Gromadecki, Silke Mikelskis-Seifert, Christoph Müller
Leibniz-Institut der Pädagogik der Naturwissenschaften (IPN)
Olshausenstr. 62; 24098 Kiel
Impressum
Herausgeber:
Freie und Hansestadt Hamburg
Behörde für Bildung und Sport
Amt für Bildung - B 22 Hamburger Straße 31, 22083 Hamburg
Referatsleitung Mathematisch-naturwissenschaftlich-technischer Unterricht: Werner Renz
Fachreferent: Henning Sievers
Redaktion:
Ulf Berliner (Heisenberg Gymnasium)
Clemens Krietemeyer (Gymnasium Grootmoor)
Ursula Mersiowsky (Gymnasium Oberalster)
Renate Seidler (Gymnasium Oberalster)
Herbert Wild (Gymnasium Grootmoor)
Hamburg 2005
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
1 Initiative zur Förderung der Motivation und der Selbstständigkeit
von Schülerinnen und Schülern im naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht
Die Qualitätsoffensive, die im Schuljahr 2005/2006 beginnt und auf
zwei Schuljahre angelegt ist, hat die Weiterentwicklung des naturwissenschaftlichen Unterrichts an Gymnasien zum Ziel. Schwerpunkt des
Vorhabens ist der Unterricht „Naturwissenschaften/Technik“ in der
Klassenstufe 5/6 sowie der naturwissenschaftliche Unterricht zu Beginn
der Sekundarstufe I in der Klassenstufe 7/8 in den Fächern Biologie,
Chemie und Physik. Dabei soll insbesondere darauf eingegangen werden, wie durch altersgemäße Herangehensweisen und Methoden zum
einen die Motivation, sich mit naturwissenschaftlichen Phänomenen
und Fragestellungen zu beschäftigen, erhalten und zum anderen die
Selbstständigkeit der Schülerinnen und Schüler stärker gefördert werden kann. Verantwortlich für die Ausgestaltung dieser Initiative sind die
Schulaufsicht, die Fachreferate des Amtes für Bildung und das NWReferat des Landesinstituts für Lehrerbildung und Schulentwicklung.
Übersicht
Grundsätzlich zeigt sich, dass viele Schülerinnen und Schüler in der
Grundschule im Rahmen des Sachunterrichtes und in der Klassenstufe
5/6 großes Interesse an naturwissenschaftlichen Unterrichtsinhalten
haben. Dieses kehrt sich vor allem für die Fächer Chemie und Physik
im Laufe der Sekundarstufe I um. Ein Großteil der Schülerinnen und
Schüler wenden sich spätestens am Ende der Klassenstufe 10 von
diesen Fächern ab. Häufig empfinden sie den Chemie- und Physikunterricht als zu schwierig, die Unterrichtsinhalte als zu abstrakt und zu
lebensfern. Diese pauschale Ablehnung gilt gleichermaßen für
Mädchen und Jungen, ist also heutzutage geschlechtsunspezifisch.
Auch die Lebensphase Pubertät, die bei vielen Jugendlichen vor allem
bei den Jungen zu deutlichen Leistungseinbrüchen führt, kann nicht als
Erklärung für die Unbeliebtheit naturwissenschaftlicher Fächer herangezogen werden, da viele andere Fächer trotz der Einstellung „Schule
ist uncool“ durchaus positiv bewertet werden. Folglich entscheiden sich
viele von ihnen in der Sekundarstufe II gegen einen entsprechenden
Leistungskurs im Fach Chemie oder Physik. Diese Fächer haben immer noch den Ruf, dass die dort behandelten Themenbereiche für Expertinnen und Experten sind und für einen durchschnittlich Begabten
deshalb nicht in Frage kommen. Mit dem Wahlverhalten in der Sekundarstufe II werden für viele Schülerinnen und Schüler auch berufliche
Weichen gelegt: Attraktive Berufsfelder im Bereich der so genannten
„harten“ Naturwissenschaften und im Bereich Technik werden bei der
Lebensplanung meist nicht in Erwägung gezogen.
Problemlage
Ein weiterer Grund, sich mit dieser Initiative den naturwissenschaftlichen Fächern zuzuwenden, ist das schlechte Abschneiden Hamburger
Schülerinnen und Schüler auch bei Pisa 2003. Im Rahmen der OECDZusatzstudie ist der Zusammenhang zwischen Motivation und erfolgreichem Lernen deutlich herausgearbeitet worden.
3
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Hospitationen der Schulaufsicht in allen Hamburger Gymnasien zur Lesekompetenz u.a. im Fach Physik haben gezeigt, dass in vielen Fällen immer noch der klassische fragend-entwickelnde Unterricht dominiert.
Vielfach scheint es so zu sein, dass durch die starke Steuerung vonseiten
der Lehrerin bzw. des Lehrers Jugendliche nicht begründen können, welche naturwissenschaftlichen Konzepte bei der Bearbeitung von Sachverhalten herangezogen werden müssen und warum man sich für ein bestimmtes Konzept entscheidet. Schülerinnen und Schüler verfügen offensichtlich nicht über strukturiert angelegte Wissensbestände, die sie flexibel einsetzen können.
Ziele der Initiative
4
Die Qualitätsoffensive hat das Ziel, die Lehr- und Lernkultur in den
oben genannten Fächern im Sinne einer naturwissenschaftlichen Grundbildung noch stärker zu verändern. Gerade dem Anfangsunterricht in der
Klassenstufe 5/6 kommt dabei eine wichtige „Brückenfunktion“ zu. Er
muss für Anschlussfähigkeit in zwei Richtungen sorgen: Zum einen soll
bewusst an die Unterrichtsmethodik der Grundschule angeknüpft werden;
die Beobachtung von Phänomenen und die Einführung in das experimentelle Arbeiten finden dabei besondere Berücksichtigung. Zum anderen
sollen in Klassenstufe 5/6 Grundlagen für den Fachunterricht in Klassenstufe 7 bzw. 8 gelegt werden. Deshalb brauchen Schülerinnen und
Schüler Lernangebote, die an überschaubaren Sachverhalten das Kennenlernen und Einüben des Umgangs mit naturwissenschaftlichen Konzepten ermöglichen. Gleichzeitig bedeutet dies, dass sich der Anfangsunterricht in den Fächern Biologie, Chemie und Physik in der Klassenstufe 7 bzw. 8 – bezogen auf die Unterrichtsmethodik – stärker am Unterricht
in Klassenstufe 5/6 orientieren muss. So kann es nicht darum gehen, die
Lebenswelt der Jugendlichen nur als Unterrichtseinstieg aufzugreifen
oder die Vorstellungen der Jugendlichen zu einer Fragestellung zu sammeln, um sie dann zügig aus fachlicher Sicht zu korrigieren und damit als
Fehlvorstellungen zu entlarven, um möglichst schnell zu fachsystematisch
angelegten Wissensbeständen zu kommen. Dass dieses Vorgehen nicht
zu entsprechend abrufbaren und flexibel einsetzbaren Kenntnissen führt,
zeigen u.a. die Pisa-Studien. Bei den Lernangeboten muss auch in den
naturwissenschaftlichen Fächern berücksichtigt werden, dass heutzutage
davon ausgegangen wird, dass verständnisvolles Lernen ein aktiver und
konstruktiver Aufbau von Wissenssystemen ist. Dies ist immer ein individueller Konstruktionsprozess, der maßgeblich durch das verfügbare Vorwissen beeinflusst wird. Die NW-Initiative soll die wichtige Aufgabe von
Unterricht unterstützen, sowohl Kontextorientierung und Phasen
fächerübergreifenden Lernens zu berücksichtigen als auch gleichzeitig
systematisches Lernen zum Kompetenzerwerb in den Bereichen Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung zu
ermöglichen.
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Bezogen auf die Veränderung von Unterricht stehen folgende Aspekte im
Vordergrund:
•
Förderung eines die Fächer integrierenden naturwissenschaftlichen
Unterrichts in der Klassenstufe 5/6,
•
Förderung der Motivation, z.B. durch Überschreiten von Fächergrenzen und durch Kontextualisierung,
•
Förderung der Selbstständigkeit durch Erwerben von Methodenkompetenz der Lernenden, durch Veränderung der Unterrichtsgestaltung,
durch Überprüfung der Lernprozesse sowie durch stärkere Reflexion
der Lehrerrolle.
Lehrerinnen und Lehrer erhalten als Anregung für die Unterrichtsgestaltung Handreichungen mit Beispielen, die sich auf die jeweiligen Rahmenplaninhalte beziehen. Für die Klassenstufe 5/6 beziehen sich die Beispiele bewusst auf eine eher an klassischen Biologieinhalten orientierte Einheit „Pflanzen, Tiere und Menschen“ sowie auf eine Einheit „Luft und
Fliegen“, die die Philosophie von integrierten naturwissenschaftlichen
Modulen exemplarisch aufzeigt. Sowohl das Fach Chemie als auch das
Fach Physik beteiligen sich in Hamburg an den bundesweiten Projekten
„Chemie bzw. Physik im Kontext“. Diese Ansätze werden in den Einheiten „Coca-Cola – mehr als ein Erfrischungsgetränk“ und „Bau eines elektrifizierten Zimmermodells“ aufgegriffen.
Geplante
Maßnahmen
Zusätzlich zu den Handreichungen wird das Landesinstitut für Lehrerbildung und Schulentwicklung ein Fortbildungsangebot entwickeln, das im
Laufe des Schuljahres 2005/06 jede einzelne Lehrkraft in den naturwissenschaftlich-technischen Fächern erreichen wird. Diese fachbezogene
Fortbildung wird dezernatsbezogen durchgeführt.
Weiterhin werden in den kommenden beiden Jahren Musteraufgaben
bzw. Beispielaufgaben entwickelt, die zeigen sollen, was unter der so
genannten „neuen Aufgabenkultur“, orientiert an Bildungsstandards, zu
verstehen ist und wie diese umgesetzt werden kann.
2 Naturwissenschaftliches Arbeiten in Klasse 7/8
In der Klassenstufe 7/8 gilt es, einen sanften Übergang vom übergreifenden naturwissenschaftlichen Unterricht zum Fachunterricht zu ge-stalten.
Gerade in dieser Phase ist es nötig, dem in der Praxis so oft beobachteten Absinken der Motivation von Schülerinnen und Schülern entgegenzuwirken. Daher sollte der Unterricht an alltagsrelevanten Kontexten
anknüpfen, fächerübergreifende Aspekte nutzen und den Schülerinnen
und Schülern Möglichkeiten zu eigenständigem Arbeiten und Entdecken
bieten.
Unterricht in den
Der Unterricht knüpft an die Beobachtungen und Erlebnisse der Schülerinnen und Schüler sowie an aktuelle Probleme an und verbindet auf
diese Weise die Themen des Unterrichts und der Lebenswelt. Dadurch
stellt sich das naturwissenschaftliche Arbeiten für die Schülerinnen
Kontextorientierung
Fächern
5
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
und Schüler als sinnhaft dar: Sie machen die Erfahrung, dass die erworbenen naturwissenschaftlichen Kompetenzen im Alltag nützlich sind und
sind eher bereit, sich auf den Unterricht einzulassen.
Problemorientierung
Experimentieren
Zu den vielfältigen Schüleraktivitäten gehören die Durchführung selbst
entworfener Experimente, Praktika und Übungen und projektartige
Arbeitsformen ebenso wie die Präsentation ihrer Ergebnisse mit
geeigneten Medien oder die Beschaffung von Informationen. Dabei sollten
kooperative Lernformen gewählt werden: Die Schülerinnen und Schüler
können im Team naturwissenschaftliche Fragestellungen lösen, Vorschläge und Ideen entwickeln, Untersuchungen eigenständig planen, deren
Ablauf organisieren und Ergebnisse bewerten.
Fachsystematik
Die systematische Betrachtung und Beschreibung von Gegenständen
unter fachwissenschaftlicher Perspektive (Theoriemodule) steht am Ende
des Lernprozesses. Erst wenn die Schülerinnen und Schüler eigene Erfahrungen gemacht haben, können sie Fachsprache, übergreifende
Gesetzmäßigkeiten und Zusammenfassungen als nützliche Vereinfachungen ansehen und annehmen.
Gliederung des
Die Gliederung des Unterrichts kann in drei Phasen dargestellt werden::
Unterrichts
6
Der Unterricht sollte so gestaltet sein, dass er den Schülerinnen und
Schülern Raum für eigene Überlegungen und Ideen bietet. Durch minimale Überforderung werden die Schülerinnen und Schüler zu eigenständigem Denken und Arbeiten herausgefordert. Arbeitsblätter abzuarbeiten, vorgegebene Wege abzuschreiten, Routinen zu bearbeiten wird
von den Schülerinnen und Schülern in dieser Klassenstufe nicht selten
abgelehnt. Eigene Wege zur Lösung von Problemen zu ermöglichen, ist
zentrale Aufgabe des Unterrichts.
•
Einstieg über Kontexte, Motivation, Schülerfragen
•
Erarbeitung über möglichst eigenständiges, forschendes, selbst organisiertes und experimentelles Arbeiten
•
Festigung, Vernetzung- und Vertiefung
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
1. Einstieg
Einstieg über Kontexte, Motivation, Schülerfragen
Anmerkungen: Wir suchen Kontexte, die geeignet scheinen, das Interesse von Schülerinnen
und Schülern zu wecken. Gleichzeitig sollten sie Chancen für eigenständiges Arbeiten und forschendes Lernen in der jeweiligen Klassenstufe eröffnen und einen Bezug zu den verbindlichen
Inhalten des Rahmenplans haben.
Ziel: Die Schülerinnen und Schüler sollen von Anfang an wissen, warum sie sich mit einem
Unterrichtsgegenstand beschäftigen. Dieses gelingt gut mit einer leitenden Fragestellung,
einem größeren Problem in einem interessanten, nach Möglichkeit lebensweltlichen Kontext.
Methoden: Geeignete Kontexte werden präsentiert, Fragen vorgelegt oder entwickelt, Methoden zum Einstieg vorgeschlagen.
2. Erarbeitung
möglichst eigenständiges, forschendes,
selbst organisiertes und experimentelles Arbeiten
Anmerkungen: Diese schüleraktive Phase der Konstruktion nimmt zeitlich großen Raum in
Anspruch – Erarbeiten von Inhalten, Forschen und Experimentieren brauchen Zeit – der Weg ist
hier das Ziel.
Ziel: Die Schülerinnen und Schüler sollen im Sinne minimaler Überforderung so viel Raum wie
möglich für eigene Idee und selbstständiges Handeln bekommen, da so nachhaltiges Lernen
möglich wird.
Kompetenzbereiche: Erkenntnismethoden, Kommunikation, Bewertung
Methoden: Es sind vornehmlich kooperative Lernformen zu wählen: Lernen an Stationen,
arbeitsteiliger Unterricht, Gruppenarbeit...
3. Festigung, Vernetzung- und Vertiefung
Vertiefung der Fachinhalte, Übungen,
Bezug zu Basiskonzepten
Anmerkungen: Rückblickend wird das aus der Sicht der Fachwissenschaft Wesentliche zusammengefasst und verallgemeinert: Regeln, Formeln, Gesetze benannt und in einen größeren
Zusammenhang gestellt. Dabei dienen die Kontexte und Erfahrungen aus der Erarbeitung als
Anknüpfungspunkte und Erinnerungsanker. Diese Phase der Instruktion sollte straff geführt
werden, möglichst wenig im fragend-entwickelnden Unterrichtsgespräch durchgeführt und damit
zeitlich effektiv gestaltet werden. Notwendige Übungen werden angeboten.
Ziel: Sichern der Ergebnisse, Vermittlung von Fachwissen und dessen Einordnung in Basiskonzepte
Kompetenzbereiche: Fachwissen
Methoden: Möglichst zeitsparende Methoden, Lehrervortrag, Übungen
7
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
3 Elektrik Klasse 7
Die Einheit „Elektrik 7“ wurde im letzten Schuljahr im Rahmen des
Bundesprojektes „Physik im Kontext“ von Hamburger Physiklehrerinnen
und -lehrern entwickelt und erprobt. Sie orientiert sich daher methodisch
und inhaltlich am neuen Rahmenplan.
In dieser Einheit werden zwei parallele Stränge verfolgt: Die Arbeit am
Haus sollte möglchst selbstständig passieren. Eigene Idee können
realisiert werden, eigene Lösungswege sind gewünscht. Zum anderen
bekommen die Schülerinnen und Schüler immer wieder Informationen
(z.B. in Form von Arbeitsblättern im Stationenlernen), die ihnen bei ihrer
Aufgabe helfen. Damit wird Raum für selbstständiges Arbeiten
geschaffen, gleichzeitig aber auch die Vermittlung von Fachwissen
gewährleistet.
Aufbau der Einheit
Bausteine
Die Einheit ist in „Bausteine“ aufgeteilt.
Die ersten fünf Bausteine sind notwenig,
Anforderungen des Rahmenplans zu genügen.
Physik im Kontext
um
den
inhaltlichen
Leitende
Fragestellungen
0. Elektrischer Strom ist gefährlich
1. Plane ein Zimmer nach deinen Wünschen
2. Beleuchte dein Zimmer
3. Die Lampe soll an- und ausgemacht werden können.
4. Richte weitere elektrische Geräte ein
5. Baue eine Klingel für dein Zimmer
Die Zusatzbausteine E 1. und E 2. können für schnelle und besonders
interessierte Schülerinnen und Schüler eingesetzt werden.
E 1. Sorge für die notwendige elektrische Sicherheit
E 2. Versorge dein Zimmer mit anderen Stromquellen als der Batterie
4 Rahmenplanvorgaben Elektrik Klasse 7/8-1
Rahmenplan: 7/8-1 Elektrik (1):
Einsicht in die Elektrik gewinnen Schülerinnen und Schüler, wenn sie sich vorstellen, wie ihr
Alltag ohne Elektrizität aussähe. Viele elektrische Geräte und Schaltungen veranlassen die
Schülerinnen und Schüler zu Fragen nach deren Funktionieren und dem Wunsch nach Erklärung. Umgekehrt stellt der Versuch, eine Funktion durch einen elektrisch betriebenen Realaufbau zu verwirklichen, eine für die Schülerinnen und Schüler dieser Altersgruppe reizvolle
Herausforderung dar.
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Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Verbindliche Inhalte
Elektrischer Stromkreis
Wirkungen des elektrischen Stroms
Inhaltsbezogene Anforderungen
(Beispiel für eine mögliche Konkretisierung des Rahmenplans)
7/8-1 Elektrik (1)
Die Schülerinnen und Schüler
Kontexte
Kommunikation
Fachmethode
Kenntnisse
•
•
•
können an einem realen Aufbau bzw. in einer Schaltskizze feststellen, ob ein verzweigter oder unverzweigter Stromkreis vorliegt
können die magnetische Wirkung und Wärmewirkung des elektrischen Stromes an
Beispielen darstellen,
kennen qualitativ die Regeln zur Additivität der Spannung in Reihenschaltungen
und der Stromstärke in Parallelschaltungen und können sie anwenden,
•
•
können anhand eines Schaltplans eine reale Schaltung aufbauen,
können einfache funktionstüchtige Schaltungen auf der Basis von Reihen-,
Parallel- und logischen Schaltungen entwerfen und aufbauen,
•
•
•
können einen Schaltplan anfertigen
können einen Schaltplan lesen und erläutern
können anhand eines Schaltplans die Funktionsweise einer Schaltung beschreiben
•
können elektrische Vorgänge im Haushalt an einfachen Schaltungen modellhaft
simulieren,
können technische Anwendungen für die elektrische und die magnetische Wirkung
des Stroms benennen,
können zu einer vorgegebenen Schaltung einen Schaltplan zeichnen
•
•
9
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
5 KMK-Bildungsstandards im Fach Physik1
1. Standards für den Kompetenzbereich Fachwissen (F)
Physikalische Phänomene, Begriffe, Prinzipien, Fakten, Gesetzmäßigkeiten kennen
und Basiskonzepten zuordnen
Die Schülerinnen und Schüler
F1
verfügen über ein strukturiertes Basiswissen auf der Grundlage der Basiskonzepte
F2
geben ihre Kenntnisse über physikalische Grundprinzipien, Größenordnungen,
Messvorschriften, Naturkonstanten sowie einfache physikalische Gesetze wieder
F3
nutzen diese Kenntnisse zur Lösung von Aufgaben und Problemen
F4
wenden diese Kenntnisse in verschiedenen Kontexten an
F5
ziehen Analogien zum Lösen von Aufgaben und Problemen heran
2. Standards für den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung (E)
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
Die Schülerinnen und Schüler
E1
beschreiben Phänomene und führen sie auf bekannte physikalische Zusammenhänge zurück
E2
wählen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen zur Bearbeitung von
Aufgaben und Problemen aus, prüfen sie auf Relevanz und ordnen sie
E3
verwenden Analogien und Modellvorstellungen zur Wissensgenerierung
E4
wenden einfache Formen der Mathematisierung an
E5
nehmen einfache Idealisierungen vor
E6
stellen an einfachen Beispielen Hypothesen auf
E7
führen einfache Experimente nach Anleitung durch und werten sie aus
E8
planen einfache Experimente, führen sie durch und dokumentieren die Ergebnisse
E9
werten gewonnene Daten aus, ggf. auch durch einfache Mathematisierungen
E 10
beurteilen die Gültigkeit empirischer Ergebnisse und deren Verallgemeinerung
3. Standards für den Kompetenzbereich Kommunikation (K)
Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen
Die Schülerinnen und Schüler
1
K1
tauschen sich über physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter angemessener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
K2
unterscheiden zwischen alltagssprachlicher und fachsprachlicher Beschreibung von
Phänomenen
K3
recherchieren in unterschiedlichen Quellen
Eine vollständige Version der Bildungsstandards ist unter http://www.kmk.org/schul/home1.htm zu finden.
10
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
K4
beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geräte und deren Wirkungsweise
K5
dokumentieren die Ergebnisse ihrer Arbeit
K6
präsentieren die Ergebnisse ihrer Arbeit adressatengerecht
K7
diskutieren Arbeitsergebnisse und Sachverhalte unter physikalischen Gesichtspunkten
4. Standards für den Kompetenzbereich Bewertung (B)
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten
Die Schülerinnen und Schüler
B1
zeigen an einfachen Beispielen die Chancen und Grenzen physikalischer Sichtweisen
bei inner- und außerfachlichen Kontexten auf
B2
vergleichen und bewerten alternative technische Lösungen auch unter Berücksichtung
physikalischer, ökonomischer, sozialer und ökologischer Aspekte
B3
nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Risiken und Sicherheitsmaßnahmen
bei Experimenten, im Alltag und bei modernen Technologien
B4
benennen Auswirkungen physikalischer Erkenntnisse in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen
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Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
(Klassenstufe 7/8)
Förderung der Motivation und der Selbstständigkeit im
naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht
Übersicht
Bezug zum Rahmenplan:
•
•
Dauer
Elektrischer Stromkreis
etwa 15 Unterrichtsstunden
Wirkungen des elektrischen Stroms
Ziele der Unterrichtseinheit
Inhaltliche Schwerpunkte
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Methodische Schwerpunkte
Schülerorientierte Methoden, die die Selbstständigkeit fördern und durch einen Alltagskontext zum Physiklernen motivieren.
• Selbstständiges Entwickeln von Ideen,
Plänen und Forschungsaufträgen
• Physikalisches Werken
• Experimentieren
Sicherheit
Geschlossener Stromkreis
Schaltpläne und –symbole
Glühlampe
Reihen- u. Parallelschaltung
Logische Schaltungen, Schalter
Abzweigdosen, Steckdosen
Elektrische Klingel
Schutzleiter, Erdung, Sicherung
Kurz-, Erd-, Körperschluss
Alternative Stromquellen
Sozialformen: Lernen an Stationen,
Forschertätigkeiten
Unterrichtsbausteine
Anzahl der
Stunden (ca.)
12
Titel
½
0. Elektrischer Strom ist gefährlich
2
1. Plane ein Zimmer nach deinen Wünschen
2
2. Beleuchte dein Zimmer
3
3. Die Lampe soll an- und ausgemacht werden können
2
4. Richte weitere elektrische Geräte ein
2
5. Baue eine Klingel für dein Zimmer
2
E 3. Sorge für die notwendige elektrische Sicherheit
1
E 4. Versorge dein Zimmer mit anderen Stromquellen als der Batterie
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Bau eines Zimmermodells
0. Elektrischer Strom ist gefährlich
Bezug zum Rahmenplan:
Dauer
Sicherheit
etwa eine halbe Unterrichtsstunde
Leitende Fragestellung, Kontext, Problem
Elektrischer Strom ist gefährlich!
Kurzbeschreibung
Einstieg:
Bevor die Arbeit am Haus beginnen kann, müssen die Schüler kurz und
prägnant über Gefahren mit elektrischen Geräten informiert werden.
Besonders gut dürfte sich als Einstieg ein aktueller Zeitungsausschnitt (z.B.
Anlage A 0.1) eignen oder das Gefahrenschild als stiller Impuls.
Erarbeitung:
Die Schülerinnen und Schüler lesen den Zeitungsartikel und berichten über
eigene Erfahrungen sowie die Gefahren im Umgang.
Oder: Ein vorhandenes Warnschild oder dessen Abbildung werden
präsentiert und Schüleräußerungen werden abgewartet.
Oder: Verschiedene Zeitungsartikel zum Thema werden arbeitsteilig von Schülergruppen bearbeitet,
deren Inhalt zusammengefasst und vorgetragen.
Festigung:
Mit dem vereinfachten Infoblatt (Anlage A 0.2) lassen sich die wichtigsten Regeln im Umgang mit
elektrischen Geräten sinnvoll sichern.
Methodische Schwerpunkte
Anknüpfen an Schülervorstellungen und an die Alltagswelt der Schülerinnen und Schüler.
Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinngung (E 1, E 2)
Kompetenzbereich Kommunikation (K 3, K 7)
Kompetenzbereich Bewertung (B 3)
Material
Material: ggf. Warnschild Hochspannung; verschiedene Zeitungsartikel über Stromunfälle (im Freien,
zu Hause)
Weitere Informationen z.B.:
http://www.physik.unimuenchen.de/leifiphysik/web_ph10/grundwissen/02_stromgefahr/gefahren_stromes.htm
www.google.de „Tödlicher Stromschlag“: Pferde, Monteur, Fußballfan, usw.
Anhang
A 0.1 Zeitungstext: Tödlicher Unfall durch Stromschlag
A 0.2 Infoblatt: Gefahren für den Menschen
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Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
A 0.1
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Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Zeitungstext
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
A 0.2
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Info: Gefahren für den Menschen
bei direktem Kontakt mit Strom führenden Teilen
Der elektrische Strom ist für Menschen und Tiere
gefährlich. Schweiß, Speichel, Blut und Zellflüssigkeit leiten den elektrischen Strom.
Fast alle Organe funktionieren aufgrund elektrischer
Impulse, die vom Gehirn ausgehen. Muskeln werden von schwachen elektrischen Impulsen gesteuert. Steht der Mensch unter zu hoher elektrischer
Spannung, verkrampfen die Muskeln:
Auch die Arbeit des Herzens wird durch elektrische
Impulse gesteuert. Wird das Herz einer zu hohen
Wechselspannung ausgesetzt, so kann es zum
Herzstillstand kommen.
Wechselspannungen über 50 Volt und Gleichspannungen über 120 Volt sind lebensgefährlich ( bei
Tieren 25 Volt bzw. 60 Volt ).
Entscheidend für die Folgen eines Stromunfalls ist
aber die Stromstärke, die durch den Körper des
betroffenen Menschen fließt.
Die Gefährlichkeit ist von mehreren Faktoren abhängig:
- Durchströmungsdauer: Je länger der Strom auf
den Körper wirkt, desto stärker sind auch die
Auswirkungen.
- Stromart: Wechselstrom ist bei längerer Durchströmungsdauer vor allem in Bezug auf das Herz
etwa dreimal gefährlicher als Gleichstrom.
- Weitere Faktoren: Der Bereich der Körperoberfläche, die Art des Kontaktes und der Zustand
der Haut ( Feuchtigkeit, Temperatur, Bekleidung ). Wenn die Haut durch Schweiß feucht ist,
wird die Stromstärke deutlich größer und gefährlicher. Schuhe mit Gummisohlen z.B. vermindern die Stromstärke von Hand zu Fuß auf ein
Zehntel.
Zur Vermeidung der vom Strom ausgehenden Gefahren müssen sich die Strom führenden Teile,
insbesondere die Stromleitungen, in einwandfreiem
Zustand befinden. Fehlende oder mangelnde Isolation muss sofort ausgebessert werden. Ebenso
wichtig sind gut leitende Verbindungen im Stromkreis. Sonst besteht die Gefahr, dass der Rückstrom
über andere Leiter fließt und somit zum „vagabundierenden Strom“ wird. Durch solche Fehler können
gefährlich hohe Spannungen auf frei berührbare
Teile übertragen werden, die man nicht als Gefahrenquelle ansieht.
Sämtliche Reparaturen und Eingriffe in das
Stromnetz dürfen nur von qualifizierten Handwerkern durchgeführt werden.
Versuch: Körperschluss - der menschliche Körper in einem Stromkreis
1. Verbinde in der Abbildung die Teile so, dass die Hand Teil des elektrischen Stromkreises
wird.
2. Baue die Versuchsschaltung nach deiner Skizze auf. Führe folgende Versuche durch und
notiere die Versuchsergebnisse!
a) Prüfe erst die trockene, dann die gut angefeuchtete Hand im Stromkreis! Die Hand ist
in beiden Fällen kräftig aufzudrücken.
b) Drücke zuerst die Handkante der angefeuchteten Hand, dann die Handfläche der angefeuchteten Hand kräftig auf die beiden Stativstangen!
3. Leite aus den Experimenten ab, welche Faktoren bei einem Elektrounfall besonders gefährlich sind!
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Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
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Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Bau eines Zimmermodells
1. Plane ein Zimmer nach deinen Wünschen
Bezug zum Rahmenplan:
Schaltplan und -symbole
Dauer
2 Unterrichtsstunden
Leitende Fragestellung, Kontext, Problem
Plane dein Zimmermodell
Kurzbeschreibung
Einstieg:
Der Lehrer/ die Lehrerin präsentiert das Projekt. Es soll der Bau der
Zimmermodelle motiviert werden: Je nach Gruppe können unterschiedliche
Aufträge gewählt werden: z.B. plane dein Zimmer neu, baue das Zimmer
deiner Wünsche, baue ein elektrifiziertes Puppenhaus etc. ...
Erarbeitung:
Als erste Annäherung an das Thema eignet sich der Auftrag, die Schülerinnen und Schüler sollen eine
Bestandsaufnahme aller elektrischen Einrichtungen in ihrem Zimmer machen.
Auf der Grundlage der realen und evtl. gewünschten elektrischen Geräte erstellen die Schülerinnen
und Schüler in Einzelarbeit eine Zeichnung ihrer „Wunschzimmer“ und stellen es sich gegenseitig vor.
Dabei sollen ruhig andere, nicht technische Details (Betten, Vorhänge u.s.w.) eingezeichnet werden.
Auch die Darstellungsformen (vom Grundriss bis zum bunten Bild) werden unterschiedlich sein.
Für zu Haus bekommen die Schülerinnen und Schüler den „Forschungsauftrag“, herauszufinden, wie
die Kabel im Haus verlegt sind (Anlage A 1.1)
Festigung:
Gemeinsamkeiten der Zimmerentwürfe werden gesammelt und Übereinstimmungen festgehalten wie
z.B.: Kabel, Verbraucher, Stromquelle (Steckdose) usw.
Nachdem die Schülerinnen und Schüler einen Entwurf ihres Zimmers erstellt haben, wissen sie, wie
schwierig es ist, elektrische Einrichtungen übersichtlich darzustellen. Die Schüler-Zeichnungen können unter diesem Aspekt besprochen werden. Die Darstellung mit Schaltzeichen wird sich den Schülerinnen und Schülern als übersichtlich, nützlich und damit motiviert darstellen: Schaltsymbole für Kabel, Verbraucher, Stromquelle werden mitgeteilt
Die Regeln für den Verlauf von Leitungen im Haus werden zusammengestellt (gerader Verlauf parallel
zu den Wänden und Kanten von Türen, Durchbrüchen und Zimmerecken) Dieses kann dann als
Grundlage für die Arbeit am Zimmer-Modell vorausgesetzt werden.
Methodische Schwerpunkte
-
Entwicklung eigener Ideen und sebstständiges Planen
Handwerkliches Umsetzen eigener Planungsideen
Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung (E 2, E 5, E 8)
Kompetenzbereich Kommunikation (K 1, K 4, K 6, K 7)
Material
Material: Grundrisse für die Festigung; (Unterputz-, Aufputz-, Verlängerungs-) Kabel, Steckdosen;
Verteilerdosen, Stecker, Geräte mit Stecker, Trafos bzw. Ladegeräte für Kleinspannungslampen
Weitere Informationen z.B.:
http://freenet.meome.de/app/fn/artcont_portal_news_article.jsp?catId=82468
Anhang
A 1.1 Forschungsauftrag 1
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Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
A 1.1
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Forschungsauftrag I
Versuche herauszubekommen, wie in deinem Zuhause die Stromleitungen verlegt sind:
a.) Gibt es Räume, in denen die Stromkabel direkt zu sehen sind? Welche sind das
und wie verlaufen dort die Leitungen?
Raum :
Leitungsverlauf:
——————————
———————————————
———————————————
——————————
———————————————
———————————————
——————————
———————————————
———————————————
b.) In welchen Räumen kann man den Kabelverlauf nicht direkt sehen?
Ist es trotzdem möglich, den Verlauf der elektrischen Leitungen zuerkennen?
Wenn ja, wie wurden hier die Leitungen verlegt?
Räume :
—————————————————————————————————————
Wie/ womit konntest Du den Leitungsverlauf verfolgen:
—————————————————————————————————————
Wie verlaufen die Leitungen?
——————————————————————————————————————
——————————————————————————————————————
c.) Wozu ist es nötig, etwas über den Verlauf der Stromleitungen in einem Zimmer
oder in einer Wohnung / einem Haus zu wissen?
——————————————————————————————————————
——————————————————————————————————————
18
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Bau eines Zimmermodells
2. Beleuchte dein Zimmer
Bezug zum Rahmenplan:
Dauer
Elektrische Vorgänge im Haushalt an einfachen
Schaltungen modellhaft simulieren;
Aufbau einer realen Schaltung nach Plan
2 Unterrichtsstunden
Leitende Fragestellung, Kontext, Problem
Beleuchte dein Zimmer.
Kurzbeschreibung
Einstieg
Es können noch einmal die Ergebnisse des vorherigen
Bausteins wiederholt werden. Die Schülerinnen und
Schüler bekommen dann den Auftrag, ihr Zimmer
selbstständig mit einer Deckenleuchte zu beleuchten. Sie
arbeiten dabei in Zweiergruppen.
Erarbeitung
Die Gruppen richten ihren Pappkarton ein und versuchen
eigenständig, aus dem zur Verfügung gestellten Material
eine Deckenleuchte für ihr Haus zu bauen.
Parallel zur Arbeit am Haus sollen die Schülerinnen und
Schüler die Arbeitsblätter Experimentieren mit Büroklammern und Glühlampe und Batterie bearbeiten. Dort Gelerntes sollen sie auf ihr Haus anwenden.
Methodisch sinnvoll ist die Verwendung von Doppellitzen, weil die Kabel in der Wirklichkeit auch mehrere Drähte in sich führen. Hier enthält die Doppellitze also den Neutralleiter N (blau) und den Außenleiter L (schwarz). Der Schutzleiter PE (gelb-grün) kann dann im Zusatzbausteinen E1 ergänzt werden.
Festigung
Würdigung und Vergleich der verschiedenen Lösungen, ggf. Optimierung des eigenen Modells.
Methodische Schwerpunkte
-
Physikalisches Werken
Experimentieren
Kompetenzen
Kompetenzbereich Fachwissen (F 2, F 3, F 4)
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung (E 2, E 5, E 7)
Kompetenzbereich Kommunikation (K 6)
Material
Material:
Mitgebrachte Schuhkartons, 4,5 V Batterie, Kabel, Glühlampe mit Fassung, Paketklebeband; Schere,
Taschenmesser zum Abisolieren, Hefter und Heftklammern
Büroklammern, Reißnägel, Korken
Weitere Informationen z.B.:
Das Material kann bei Conrad bestellt werden (siehe Anhang A 2.1).
Anhang
A.2.1
Materialliste mit Bestellnummer von Elektronik-Conrad
A.2.2
Arbeitsanweisungen: Glühlampe Batterie
A.2.3
Vorbereitungen und Hinweise für das Experimentieren mit Büroklammern
19
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
A 2.1 Materialliste zur Bestellung bei Conrad
Artikel
Art.Nr.
Preis in €
Fahrradlampe 6V/0,6W
#728420
0,46
Zwergfassung E10 mit Lötösen
#728972
0,38
#605824
0,99
#605816
0,99
#606004
0,99
Kabelring 10m/0,14 blau
oder größeres Gebinde
Kabelring 10m/0,14 schwarz
oder größeres Gebinde
Schaltlitze 10m/0,14 gelb
oder größeres Gebinde
ggf. Multitester mit akustischem Durchgangsprüfer
4,95
Die Anzahlen sind je nach Vorhaben und Schülerzahl abzuschätzen.
Als Kabel für die Einbauten in den Blöcken 1 bis 5 eignen sich auch Doppellitzen.
20
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
A 2.2 Glühlampe und Batterie
Überprüfe, in welchen Fällen die Lampe leuchtet.
Male nur die leuchtenden Lampen gelb aus.
Setze die Worte Pol, Schraubsockel, Kontaktplättchen richtig in die Lücken ein:
Eine Glühlampe leuchtet, wenn ____________________________________
und ___________________________________________ gleichzeitig mit je
einem _________________________________ der Batterie Kontakt haben.
21
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
A 2.3 Experimentieren mit Büroklammern
Anfertigen von Kabeln
•
•
•
•
Schneide von dem Draht ein passendes Stück ab.
Entferne an den Kabelenden vorsichtig ca. 1,5 cm der Plastikumhüllung.
Die freigelegten dünnen Kupferdrähtchen müssen dann verdrillt werden:
Die verdrillten Enden werden dann jeweils um eine Büroklammer gelegt und fest zusammengedreht:
Schaltungen
Anschluss an einen Pol
der Batterie
Verbindung zweier Kabel
Schalter
Skizze 1
Schalter:
1. Die Büroklammern zweier Kabel so aufbiegen, wie es die
Skizze 1 zeigt.
2. Die aufgebogenen Enden verschieden tief einstecken
(Skizze 2)
3. Wird die höhere Klammer zur niedrigeren hin gedreht, so
berühren sie sich und stellen einen Kontakt zwischen
beiden Kabeln her (Skizze 3)
Skizze 2
Skizze 3
22
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Bau eines Zimmermodells
3. Die Lampe soll an- und ausgeschaltet werden
Bezug zum Rahmenplan:
Dauer
Schalter, Schaltpläne
logische Schaltungen
Reihen- und Parallelschaltung
3 Stunden
Leitende Fragestellung, Kontext, Problem
Beim letzten Mal hast du eine Deckenleuchte in dein Modellhaus eingebaut. Es fehlt aber noch ein
Schalter, mit dem du die Lampe ein- bzw. ausschalten kannst. Einen solchen Schalter sollst du heute
in dein Haus einbauen.
Kurzbeschreibung
Einstieg
Die Schülerinnen und Schülern äußern ihre Vorerfahrungen zum Einsatz und zur Art von elektrischen
Schaltern.
Sie bekommen den Auftrag, einen Schalter für ihre Deckenlampe einzubauen (als Unterstützung
bearbeiten sie die Lernwerkstatt „Schalter“).
Erarbeitung
Die Schülerinnen und Schüler bauen selbstständig Schalter in ihr Haus und bearbeiten die
Lernwerkstatt „Schalter“:
1. Information: Schalter (Pflicht)
2. Schalter im Einsatz (Praxis 1) (Pflicht)
3. Schalter im Einsatz (Praxis 2)
4. Information: Wechsel- und Reihenschaltungen
Schülerinnen und Schüler, die schneller sind, können sich in der Lernwerkstatt ein vertieftes Wissen
zu Schaltern aneignen (3/4). Sie können den Auftrag bekommen, eine Schaltung aufzubauen, die es
ermöglicht, das Licht von der Tür und dem Bett aus an- und auszuschalten.
Der Einbau von Abzweigdosen bietet sich für den Einbau von Schaltern und beim Einbau weiterer
Lampen an. Die Umsetzung von Parallel- und Reihenschaltung erfordert hier sorgfältige Planung,
„Übersetzung“ in Schaltskizzen und Durchhaltevermögen.
Auftretende Probleme können an einem verursachten Kurzschluss liegen. Hier können die
Schülerinnen und Schüler selbst Fehler erkennen, wenn sie ihren Einbau in eine Schaltskizze
übersetzen.
Festigung
Vergleichen der Lösungen, Sicherung über Arbeitsauftrag: Einfache elektrische Schaltungen
Methodische Schwerpunkte
-
Physikalisches Werken
Experimentieren
Kompetenzen
Kompetenzbereich Fachwissen (F 2, F 3, F 4)
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung (E 2, E 5, E 7)
Kompetenzbereich Kommunikation (K 6)
Material
Material zur Lernwerkstatt:
zu 1: verschiedene Schaltertypen (Tast-, Stell- und Umschalter)
zu 2.I: 1 Motor (Lampe), 2 Taster, 1 Batterie, Kabel // zu 2.II 2 Lampen, 2 Schalter, 1 Batterie, Kabel
zu 3.I: 1 Klingel, 2 Taster, 1 Batterie, Kabel // zu 3.II: 1 Lampe, 2 Umschalter, 1 Batterie, Kabel
Weitere Informationen:
Anhang
A 3.1 Arbeitsblätter zur Lernwerkstatt
A 3.2 Arbeitsaufträge zur Lernwerkstatt
23
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
A 3.1 Arbeitsblätter zur Lernwerkstatt
Information
Einfache elektrische Schaltungen
11 Schalter
Wenn du dir zu Hause die Schalter für die Klingel, die Deckenbeleuchtung, den
Föhn, die Geschirrspülmaschine oder für den CD-Player genauer ansiehst,
entdeckst du einige Unterschiede. Manche musst du drücken, andere drehen,
kippen oder schieben.
Die folgende Übersicht zeigt die Funktionsweise verschiedener Schalter, sie
heißen Tastschalter, Stellschalter und Umschalter. Sie haben eigene
Schaltsymbole. Für die Schalter gibt es typische Anwendungen.
24
Tastschalter
Stellschalter
Umschalter
Schaltsymbol
Schaltsymbol
Schaltsymbol
Ein Tastschalter schließt
einen Stromkreis nur so
lange, wie der Tastschalter
gedrückt bleibt.
Ein Stellschalter schließt Mit einem Umschalter kann man
einen Stromkreis so lange, von einer Lampe auf eine
bis der Stellschalter wieder andere umschalten.
geöffnet wird.
Beispiele:
Klingel
Handbohrmaschine
Beispiele:
Staubsauger
Wohnraumleuchte
Beispiele: Wechsel der Leuchttafeln „Bitte warten“ und „Der
Nächste bitte“
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Praxis
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Einfache elektrische Schaltungen
22 Schalter im Einsatz
I.
An einigen Maschinen kann es bei Unachtsamkeit zu
schweren Verletzungen kommen (z.B. Presse und
Schneidemaschine). Zur Sicherheit der Arbeiter
werden solche Maschinen durch zwei Schalter in
Gang gesetzt, für die man beide Hände benötigt. So
ist der Arbeiter gezwungen, die Hände aus dem
Gefahrenbereich zu nehmen, bevor die Maschine zu
arbeiten beginnt.
Arbeitsauftrag
Abb.: Physik für Gymnasien. Klasse 6.
Nordrhein-Westfalen. Cornelsen Verlag,
Berlin 1993.
a) Baue eine Schaltung auf, bei der ein kleiner Motor (bzw. Lampe, falls kein
Motor vorhanden ist) erst dann zu laufen beginnt, wenn zwei Schalter
(Taster) gedrückt sind.
b) Zeichne zu deiner Schaltung einen Schaltplan in dein Heft.
c) Beschreibe die Funktionsweise der Schaltung.
II.
Möchte man zwei unabhängig voneinander leuchtende Lampen (oder andere
elektrische Geräte) mit einer Quelle versorgen, so kann man dies mit der
nebenstehenden Schaltung erreichen.
Arbeitsauftrag
a) Baue die Schaltung der Abbildung
entsprechend auf.
b) Zeichne zu deiner Schaltung einen
Schaltplan in dein Heft.
c) Beschreibe die Funktionsweise der
Schaltung.
Abb.: Impulse Physik. Klasse 6. NordrheinWestfalen. Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2002.
25
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Praxis
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Einfache elektrische Schaltungen
33
Schalter im Einsatz
I.
Eine Klingelanlage kann zwei Schalter haben
(s. Abb.). Ein Tastschalter befindet sich an der
Haustür, der zweite ist an der Wohnungstür
angebracht. Wenn einer der beiden Schalter
geschlossen wird, ertönt die Klingel.
Arbeitsauftrag
Bei diesem Versuch sollst du die dargestellte
Klingelanlage nachbauen. Das benötigte Material
kannst du der Abbildung entnehmen.
a) Baue die Schaltung der Abbildung entsprechend auf.
b) Zeichne zu deiner Schaltung einen Schaltplan in
dein Heft.
c) Beschreibe die Funktionsweise der Schaltung.
II.
Bei größeren Zimmern
oder Zimmern mit zwei
Türen gibt es häufig zwei
Schalter, mit denen die
Deckenleuchte an- und
ausgeschaltet
werden
kann. Man kann z.B. das
Licht an der einen Tür einschalten und beim Verlassen des Zimmers durch die
andere Tür wieder ausschalten (und umgekehrt).
Arbeitsauftrag
Bei diesem Versuch sollst du die dargestellte Schaltanlage nachbauen. Als
Schalter benötigst du zwei Umschalter (s. Information 1 und evtl. 4).
a) Baue die Schaltung der Abbildung entsprechend auf.
b) Zeichne zu deiner Schaltung einen Schaltplan in dein Heft.
c) Beschreibe die Funktionsweise der Schaltung.
26
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Information
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Einfache elektrische Schaltungen
44
Reihen- und Parallelschaltung
Schalter im Einsatz
2.I Die beiden Schalter an der Schneidemaschine sind in Reihe geschaltet.
Beide Schalter müssen geschlossen sein, damit ein Strom fließt. Werden
Schalter in Reihe geschaltet, spricht man auch von einer UND-Schaltung.
Reihenschaltung
Der gesamte elektrische Strom
fließt durch beide
Geräte.
UND-Schaltung
Ein elektrischer
Strom fließt nur
dann, wenn
Schalter 1 und 2
geschlossen sind.
2.II Die beiden Schalter und die beiden Lampen sind parallel zueinander
geschaltet. Die beiden Lampen können durch diese Schaltung unabhängig
voneinander betrieben werden.
3.I Bei der Klingelanlage sind beide Schalter parallel zueinander geschaltet. Bei
dieser Anordnung von Schaltern spricht man von einer ODER-Schaltung.
Parallelschaltung
Der elektrische
Strom verzweigt
sich in zwei
Teilströme.
ODER-Schaltung
Ein elektrischer
Strom fließt
bereits, wenn
Schalter 1 oder
2 geschlossen
ist.
3.II
In einem Zimmer kann die Beleuchtung mit zwei Schaltern ein- oder
ausgeschaltet werden. Man kann zwischen den Schaltern „wechseln“. Der
Stromkreis in einem solchen Zimmer kann zwei Umschalter enthalten. Eine
solche Schaltung heißt Wechselschaltung.
Wechselschalter
(aus einer Büroklammer
hergestellt)
Abb.: Physik 6. NRW.
Westermann,
Braunschweig 1998.
27
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
A 3.2 Arbeitsaufträge zur Lernwerkstatt
Arbeitsaufträge
Einfache elektrische Schaltungen
1. Welche verschiedenen Schaltertypen kennst du und für welches Gerät werden
sie z.B. verwendet? Zeichne auch die entsprechenden Schaltsymbole ein.
2. Fertige eine Schaltskizze zu einer Reihenschaltung zweier Glühlampen sowie zu
einer UND-Schaltung zweier Schalter, die einen Motor steuern, an.
(Symbol für einen Motor:
)
Reihenschaltung
Der gesamte elektrische Strom
fließt durch beide
Geräte.
UND-Schaltung
Ein elektrischer
Strom fließt nur
dann, wenn
Schalter 1 und 2
geschlossen sind.
3. Im Haushalt müssen in der Regel mehrere Geräte gleichzeitig an die
Hausversorgung angeschlossen werden können. Fertige eine Schaltskizze zu dem
folgenden Fall an:
Eine Lampe, ein Fernseher und eine Waschmaschine sind an die Hausversorgung
angeschlossen. Die Geräte funktionieren unabhängig voneinander.
Æ Diese Schaltung heißt Parallelschaltung.
28
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Bau eines Zimmermodells
4. Richte weitere elektrische Geräte ein
Bezug zum Rahmenplan:
Dauer
Parallelschaltung
2 Stunden
Leitende Fragestellung, Kontext, Problem
Jetzt kannst du das Licht bequem ein- und ausschalten. Aber wie sieht es mit weiteren elektrischen
Geräten aus? Du benötigst vielleicht noch eine Nachttischlampe oder ein Radio?
Heute beschäftigst du dich mit dem Einbau weiterer elektrischer Geräte in dein Zimmer.
Kurzbeschreibung
Einstieg
Die Schülerinnen und Schüler bekommen den Auftrag, weitere
elektrische Geräte im Haus zu installieren.
Erarbeitung
Die Schülerinnen und Schüler bauen selbstständig mit Hilfe von
Litzen
und
Büroklammern
weitere
Steckdosen
und
Abzweigdosen in ihr Haus ein.
Das grundlegende Wissen darüber erhalten sie durch das
Informationsblatt A4.1 „Einbau von Abzweigdosen und
Steckdosen“, welches zunächst gemeinsam besprochen werden
kann.
Festigung
Vergleichen der Lösungen
Sicherung über Arbeitsauftrag
Methodische Schwerpunke
-
Physikalisches Werken
Umsetzung eigener Ideen
Kompetenzen
Kompetenzbereich Fachwissen (F1, F 3, F 4)
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung (E 3, E 5, E 8)
Kompetenzbereich Kommunikation (K 4, K 5, K 6)
Material
Material: Litzen, Büroklammern, Pappe, Klebeband, Lüsterklemmen, Schraubendreher
Anhang
A 4.1 Einbau von Abzweigdosen und Steckdosen und Schaltung elektrischer Geräte
29
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
A 4.1 Einbau von Abzweigdosen und Steckdosen
und Schaltung elektrischer Geräte
Information
30
vgl.: Physik. Gesamtband Sekundarstufe I. Paetec 2005. S. 328.
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Bau eines Zimmermodells
5. Baue eine Klingel für dein Zimmer
Bezug zum Rahmenplan:
Dauer
Wirkungen des elektrischen Stroms
2 Stunden
Leitende Fragestellung, Kontext, Problem
Baue eine Klingel für dein Zimmer
Kurzbeschreibung
Einstieg
Anhand eines Klingelmodells oder Summermodells wird
verdeutlicht, wie die magnetische Wirkung des Stroms für eine
Klingel genutzt werden kann.
Abb. www.schule-bw.de s. unten
Erarbeitung
Die Schülerinnen und Schüler erstellen ihre Klingeln und bauen
sie ins Haus ein.
[Das Einstellen des Kontaktes K erfordert einige Geduld, um eine
befriedigende Funktion zu erreichen. Ohne angeschlossene
Spannung sollte der Kontakt gerade zu schließen beginnen, die
Drahtstücke sollten sich also fast berühren.]
Festigung
Zusammenfassung: Wirkungen des Stroms
Methodische Schwerpunkte
-
Lernen an alltagsrelevanten Materialien
Physikalisches Werken
Kompetenzen
Kompetenzbereich Fachwissen (F1, F 2, F 3, F 4)
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung ( E 1, E 3, E 5, E 8)
Kompetenzbereich Kommunikation (K 1, K 4, K 5)
Material
Material:
isolierter Kupferdraht
eine Holzplatte
Nägel
Schnellhefter aus Metall
Weitere Informationen z.B.:
http://www.leu.bw.schule.de/allg/publikationen/onlph60/25.htm
http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_1/stromwirk/klingel.htm
Anhang
A 5.1 Elektrische Klingel
31
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
A 5.1 Elektrische Klingel
Aufgabe 1
Öffne den Summer, indem du die
Abdeckkappe abnimmst.
Verfolge sorgfältig den Stromverlauf im
Summer und fertige dazu eine Zeichnung
bzw. Schaltskizze an.
Hinweis:
Das rötliche, kupferfarbene Bauteil heißt
„Spule mit Eisenkern“. Bei einer Spule mit
Eisenkern ist ein dünner, isolierter
Kupferdraht um einen Eisenkern
gewickelt.
In deiner Schaltskizze kannst du die Spule mit Eisenkern vorläufig so eintragen:
Schließe den Summer an eine Batterie an, beobachte und beschreibe die Funktionsweise.
Folgende Fragen können dir Hinweise geben:
- An welcher Stelle entsteht das Geräusch?
- Welche Wirkung hat es, wenn du die Einstellschraube verstellst?
- Wo wird der Stromkreis zu welcher Zeit unterbrochen?
- Welche Wirkung hat die Spule, wenn der Stromkreis geschlossen ist.?
Aufgabe 2
Baue selbstständig das Modell einer elektrischen
Klingel mit folgenden Geräten:
- einer Spule (ggf. aus Kupferdraht selbst auf
einen Eisennagel gewickelt),
- einem verschiebbaren Eisenkern,
- einem Blechstreifen, der an einem Ende
befestigt ist,
- Batterie und
- Kabeln.
32
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Bau eines Zimmermodells
E1 Sorge für die notwendige elektrische Sicherheit
Bezug zum Rahmenplan:
Dauer
2 Stunden
Aufgabengebiet Gesundheitsförderung:
Sicherer Umgang mit Elektrizität
Leitende Fragestellung, Kontext, Problem
Sorge für die notwendige elektrische Sicherheit in deinem Modellhaus!
Kurzbeschreibung
Einstieg:
Für schnelle Schülerinnen und Schüler oder zur Erweiterung der
Einheit eignet sich dieser Ergänzungsbaustein zum Thema
Sicherheit. Über einen Forschungsauftrag (Anlage A 6.1)
bekommen die Schülerinnen und Schüler die Aufgabe,
Sicherheitseinrichtungen bei sich zu Hause aufzuspüren.
Erarbeitung:
Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich anhand der
Versuchsanleitungen und Arbeitspapiere Grundkenntnisse zum
Thema Sicherheit.
Die Schülerinnen und Schüler ergänzen ihr Modellhaus durch Sicherheitseinrichtungen:
- Schutzleiter,
- „Erdung“ und Zusammenführung von Schutzleiter und Neutralleiter,
- Einbau des Models einer Sicherung,
- Ausstattung eines „Verbrauchers“ mit Metallgehäuse (z.B. Glühlampe mit Teelichtgehäuse als
Lampenschirm),
- Simulation verschiedener Gefahrensituationen ( Kurzschluss, Erdschluss, Körperschluss)
Festigung:
Vergleich der Lösungen zu den Arbeitspapieren.
Präsentation der Modellhäuser mit Simulation der Gefahrensituationen.
Methodische Schwerpunkte
-
Forschendes Lernen
Physikalisches Werken
Kompetenzen
Kompetenzbereich Fachwissen (F1, F 2, F 4)
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung (E 2, E 3, E 5, E 7)
Kompetenzbereich Kommunikation (K 1, K 4, K 5)
Kompetenzbereich Bewertung (B 2, B 3)
Material
Material:
4,5V Flachbatterien, Stativmaterial, Isolatoren, Leuchtdiode, Kabel, Glühlämpchen, Krokodilklemmen,
Lametta aus Metall-Legierung, Stromversorgungsgerät, Schmelzsicherungen
Weitere Informationen z.B.:
http://freenet.meome.de/app/fn/artcont_portal_news_article.jsp?catId=82468
Anhang
A6.1
A6.2
A6.3
A6.4
Arbeitsblatt: Forschungsauftrag II
Sicherheitspraktikum
Infoblatt: Steckdose, Stecker und Lampenfassung
Arbeitspapier: Schaltung elektrischer Geräte im Haus, Ergänzung des fehlenden Schutzleiters
33
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
A 6.1 Forschungsauftrag II
1.
Gibt es einen Ort, an dem dein Haus / deine Wohnung mit Energie von außen
versorgt wird?
Wenn ja, wo befindet er sich?
2.
Gibt es bei dir zu Hause einen Sicherungskasten?
Wenn ja, wo befindet er sich?
Kannst du dir denken, warum er gerade an dieser Stelle angebracht wurde?
3.
Finde heraus, welche Typen von Sicherungen es gibt!
Welche weiteren Bauelemente gibt es im Sicherungskasten?
4.
Was versteht man unter einer „Erdung“?
Gibt es bei dir zu Hause einen Erdanschluss?
Wenn ja, wo befindet er sich?
5.
Welche Typen von Steckern und Steckdosen gibt es bei dir zu Hause? Beschreibe kurz:
Welche Geräte gehören zu welchem Steckertyp?
6.
Welche Typen von elektrischen Kabeln gibt es?
Forsche im Hobbyraum deiner Eltern oder im Baumarkt!
Beschreibe jeweils kurz! Du kannst auch eine Skizze anfertigen und Kabelstücke zur Anschauung mitbringen!
34
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
A 6.2 Sicherheitspraktikum
35
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
A 6.3 Info: Steckdose, Stecker und Lampenfassung
Abb. 1: Steckdose und Stecker mit geerdetem Schutzleiter
Abb. 2: Lampenfassung und Stecker mit Schutzleiter
36
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
A 6.4 Arbeitspapier: Elektrische Geräte im Haus
Aufgaben:
1.
2.
3.
4.
Zeichne mit gelber Farbe den fehlenden Schutzleiter in die Abbildung.
Verlege in deinem Modellhaus den Schutzleiter (gelbes Kabel).
Überlege dir, wie du eine Schmelzsicherung modellieren und installieren kannst.
Versieh mindestens einen "Verbraucher" mit einem Metallgehäuse
und simuliere Kurzschluss, Gehäuseschluss und Erdschluss.
37
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
38
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Klasse 7/8 Physik im Kontext (piko):
Bau eines elektrifizierten Zimmermodells
Bau eines Zimmermodells
E2. Versorge dein Zimmer mit einer anderen
Stromquelle
Bezug zum Rahmenplan:
Dauer
1 Stunde
Stromquellen
Leitende Fragestellung, Kontext, Problem
Wie kannst du dein Zimmer mit alternativen Stromquellen versorgen?
Kurzbeschreibung
Einstieg
Wenn einzelne Schülerinnen und Schüler schnell fertig sind, können sie die Zusatzaufgabe
bekommen, ihr Haus mit alternativen Stromquellen zu versorgen.
Erarbeitung
Schülerinnen und Schüler probieren, wie sie ihr Haus mit Windrädern (Dynamo), Solarzellen, Akkus,
versorgen können.
Dabei auftretende Probleme mit der Anpassung der Verbraucher an die Stromquellen (Spannung und
Stromstärke) können z.T. durch Reihen- oder Parallelschaltung der Stromquellen behoben werden
oder aber durch Verwendung von Glühlampen mit geringer Stromstärke bzw. von Leuchtdioden. Sie
eröffnen auf jeden Fall die Einsicht, dass die Glühlampe nicht selbstverständlich leuchtet.
Festigung
Möglichkeiten und Grenzen alternativer Energieformen wird besprochen.
Methodische Schwerpunkte
-
Freie Umsetzung kreativer Ideen
Physikalisches Werken
Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung (E 2, E 5, E 8)
Kompetenzbereich Kommunikation (K 1, K 3, K 4)
Kompetenzbereich Bewertung (B 2, B 3, B 4)
Material
Material:
Batterie, Solarzellen, Trafo, Fahrraddynamo, ...
Weitere Informationen z.B.: www.google.de :
Dynamo, Solarzelle, Akku;
Windkraftwerke, Wasserkraftwerke, Solarkraftwerke, Gezeitenkraftwerke
Anhang
---
39